基于NBDD的高效数字音频功率放大器设计

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摘  要:数字音频功率放大器具有体积小、重量轻、可靠性高的特点,但其并非工作在理想状态下。为进一步提高数字功放的效率,通过将双边带三电平自然采样法( NBDD) 脉宽调制技术引入数字功放的脉宽调制设计,并将Dead Time 技术引入开关放大器的设计中,提出了高效数字音频功率放大器的优化设计方案,从而提高了整机的失真度指标,降低了低通滤波器设计阶数、改善了信噪比。

  

0   引  言

  

近年来,随着数字化优势的体现,很多尚未数字化的领域正在逐步加入到数字化的行列中来。数字化处理后的语音信号在到达模拟功率放大器之前,必须进行D/ A 转换,以便被功率放大器放大,因此从完全数字化的进程看,功率放大器数字化模式势在必行。

  

功率放大器通常根据其工作状态分为5 类: 即A 类、AB 类、B 类、C 类和D 类。其中,前4 类均可直接采用模拟音频信号直接输入,放大后将此信号用以推动扬声器发声。D 类放大器比较特殊,它只有通和断两种状态,因此它不能直接输入模拟音频信号,而是需要将信号进行某种变换后再放大。

  

数字音频功率放大技术就是采用了全新的放大体制,功放管工作于D 类开关状态,与传统模拟功放相比,具有体积小、功率大,与数字音源无缝结合、能有效降低信号间的传递干扰、实现高保真等优势,具有广阔的发展前景。

  

本文提出了高效数字功率放大器的优化设计方案,将双边带三电平自然采样法( NBDD)脉宽调制技术引入数字功放的脉宽调制设计中,降低了低通滤波器设计阶数、改善了信噪比; 通过将Dead Time( 死区时间)技术引入开关放大器的设计中,减小了开关放大器的串通损耗和漏源电容损耗。

  

1   优化方案实现原理

  

此方案采用的是两个独立的通道,可单独、同时完成信号的数字处理和功率放大,并可桥接成一个通道进行信号的数字处理和功率放大。每个通道工作在半桥工作模式下,又可桥接成全桥工作模式进行工作。其实现原理如图1 所示。


图1   高效数字功率放大器原理图

  

输入的模拟音频信号首先经隔离放大器进行放大,同时进行低通滤波。低通滤波器采用的是二阶But terw orth 低通滤波器,截止频率为37 kHz,3 dB 带宽为22 kHz。滤波过后的信号与反馈回来的音频信号一起送到误差放大器进行误差放大,输出放大的误差音频信号。将放大的误差信号和载波信号送到脉宽调制器,进行NBDD 调制产生PWM 信号。载波信号是由三角波发生器产生的高线性度的模拟三角波信号,频率为230~ 280 kHz 可调。PWM 信号插入Dead Time 后送到浮动电源和自举相结合的驱动器进行预放大,放大了的PWM 信号驱动由场效应管组成的半桥开关放大器进行功率放大,输出功率PWM 信号。经开关放大器放大的PWM 信号被采样作为反馈信号送到误差放大器。

  

功率PWM 信号送到低通滤波器还原出模拟音频信号。

  

当需要桥接单通道输出时,只需在两半桥输入端送入等幅反相的音频信号,并将负载接于两半桥输出端即可。

  

为了增加模块的可靠性,设计时同时考虑了各种误操作对模块造成的损坏,并提供了故障指示功能,帮助整机及时准确查找问题,便于模块进行维修。

 

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